بخشی از مقاله
چکیده
شرایط ساختگاه و توپوگرافی میتواند بر تمام پارامترهاي مهم یک جنبش نیرومند زمین از قبیل مدت تداوم دامنه، طول موج و غیره اثرگذار باشد. مهندسان بطور سنتی، چنین اثراتی را با استفاده از مدلهاي ساده مبتنی بر توصیف یک بعدي از پروفیل محلی خاك و انتشار امواج لرزهاي و با موفقیت ارزیابی نمودهاند، لذا صرفاً ساختگاههایی براي این نوع مدلسازي مناسب خواهند بود که از گستردگی نسبتاً وسیعی در پهناي منطقه مورد مطالعه نسبت به ضخامت لایه رسوبی برخوردار باشند.
از طرفی پیچیدگی وجود خاكهاي نرم و سست در درهها و اثرات آنها بر پاسخ لرزهاي عوارض توپوگرافی درهاي شکل، لزوم بررسی این اثرات را دوچندان میکند . در این بین، خاکهاي نرم با پتانسیل روانگرایی و ایجاد اضافه فشار آب حفرهاي میتواند به پیچیدگی این پاسخها و الگوهاي بزرگنمایی بیافزاید. در این تحقیق با استفاده از مدل رفتاري تنش موثر موجود در نرم افزار خل طهئً مبتنی بر روش تفاضل محدود، به مطالعه پاسخ لرزهاي و الگوهاي بزرگنمایی درههاي پرشده با مصالح خاکی سست با پتانسیل روانگرایی و اضافه فشار آب حفرهاي، پرداخته شده است.
در این راستا با تغییر پارامترهاي هندسی تاثیرگذار در مساله نظیر شکل دره ذوزنقه اي در مقایسه با اشکال دیگر و فرکانسهاي متفاوت موج ورودي در قالب مطالعات پارامتریک به ارایه الگوهاي بزرگنمایی در نقاط مختلف دره پرداخته شده است . نتایج بدست آمده حاکی از آن است که روانگرایی در دره هاي رسوبی بیشتر از زمین آزاد بدون وجود عوارض توپوگرافی به وقوع میپیوندد و شروع پدیده روانگرایی با سرعت بیشتري از گوشه دره آغاز میشود.
مقدمه
امروزه اهمیت تأثیر شرایط محلی خاك و توپوگرافی سطحی و شرایط ساختگاه بر شدت و وسعت خرابی ساختمانها و توزیع مکانی آنها حین زلزله کاملاً آشکار است. بررسی تأثیر شرایط ساختگاه در برابر امواج لرزهاي، از جمله مباحث مهم در زمینه دانش مهندسی زلزله میباشد.
فلسفه اهمیت این موضوع، الگوهاي رفتاري پیچیده عوارض توپوگرافی بوده که منجر به ایجاد تفاوتهاي قابل ملاحظهاي بین امواج گسیل شده از چشمه و امواج رسیده به سطح زمین میشود. شرایط ساختگاه و توپوگرافی میتواند بر تمام پارامترهاي مهم یک جنبش نیرومند زمین از قبیل مدت تداوم دامنه، طول موج و غیره اثرگذار باشد.
اثرات محلی ساختگاه نقش مهمی در طراحی مقاوم در برابر زلزله ایفا نموده و بایستی بصورت مجزا با آن پرداخته شود. مهندسان بطور سنتی، چنین اثراتی را با استفاده از مدلهاي ساده مبتنی بر روشهاي یک بعدي - خذ - از پروفیل محلی خاك و انتشار امواج لرزهاي و با موفقیت ارزیابی نمودهاند. لذا ساختگههایی براي این نوع مدلسازي مناسب خواهند بود که از گستردگی نسبتاً وسیعی در پهناي منطقه مورد مطالعه نسبت به ضخامت لایه رسوبی برخوردار باشند. لیکن حوادث اخیر نظیر زلزله هیوگوکن نانبو ژاپن سبب مرگ 6000 تن گردید که پیچیدگی قابل ملاحظهاي در الگوهاي تقویت لرزهاي حاصل از اثرات ساختگاهی خل و خص را آشکار ساخت.
از طرفی پیچیدگی وجود خاكهاي نرم و سست در درهها و اثرات آنها به پاسخ لرزهاي عوارض توپوگرافی درهاي شکل، لزوم بررسی این اثرات را دوچندان میکند. در این بین خاکهاي نرم با پتانسیل روانگرایی و ایجاد اضافه فشار آب حفرهاي میتواند به پیچیدگی این پاسخها و الگوهاي تغییرمکان بیافزاید. سونگ [1] در سال 1997 به مطالعه اثر هم زمان عوارض توپوگرافی زمین و روانگرایی بر پاسخ لرزهاي زمین پرداختند.
در این راستا به منظور انجام این مطالعه از روش اجزاي مرزي با مدل رفتاري غیر خطی خاك استفاده شده است. نتایج بدست آمده نشان داد که مقادیر بزرگنمایی تحت تاثیر دو پارامتر سرعت موج برشی مصالح داخل دره و زیر آن و همچنین نسبت عمق به عرض دره می باشد. گلاکوتی و همکارانش [2] در سال 2010 به بررسی انتشار موج لرزهاي در یک عارضه درهاي شکل پر شده با مصالح نرم آبرفتی تحت امواج قائم بح و ب پرداختند. تحقیقات آنها با استفاده از مدل غیر خطی تنش کل به صورت دو بعدي انجام گرفت.
نتایج نشان داد که تاثیرات تمرکز موج در نزدیکی لبههاي دره و امواج سطحی تولید شده در گوشههاي آن نقش اصلی در تشدید قابل توجه ضرایب بزرگنمایی حرکت لرزهاي دارد. گلاگوتی و همکارانش [3] در سال 2012 به مطالعه تحلیل غیر خطی درههاي ذوزنقهاي در معرض تابش امواج بح با انتشار عمودي پرداختند. در این تحقیق پاسخ لرزهاي عوارض دره اي شکل پر شده با مصالح سست با دو مدل خطی و غیر خطی - بدون لحاظ فشار آب حفرهاي - مورد مقایسه قرار گرفت.
مطالعات آنها نشان داد که با ملایم شدن شیب دره، مقادیر بزرگنمایی کاهش یافته و پاسخها به پاسخهاي سطح آزاد گرایش پیدا میکند. همچنین پاسخهاي بدست آمده از تحلیلهاي یک بعدي نتایج محافظه کارانهاي براي مقادیر بزرگنمایی دارند.
با توجه به تحقیقات گذشته مشاهده می شود که تاکنون مطالعات محدودي در زمینه تاثیر عوارض توپوگرافی درهاي شکل بر پاسخ لرزهاي خاكهاي سست با پتانسیل ایجاد اضافه فشار آب حفرهاي و روانگرایی مبتنی بر تنش موثر انجام شده است. لذا در این تحقیق، به بررسی پارمتریک شکل درههاي ذوزنقهاي در مقایسه با اشکال دیگر و اندرکنش لرزهاي آنها با خاکهاي روانگرا پرداخته شده است.
مدلسازي عددي و اعتبار سنجی مدل
در این تحقیق به بررسی شکل درههاي ذوزنقه اي پر شده با مصالح سست روانگرا بر الگوهاي بزرگنمایی سطح زمین تحت انتشار امواج قائم زلزله کوبه پرداخته شده است. در این راستا از برنامه دو بعدي خلطهئً مبتنی بر روش تفاضل محدود استفاده شده است.
این برنامه داراي قابلیتهاي فراوان از جمله در نظر گرفتن اندرکنش خاك و سازه، محاسبه تغییر شکلهاي بزرگ، مدلهاي رفتاري مختلف خاك و در نظر گرفتن فشار آب میباشد. به منظور مدلسازي مصالح نرم با پتانسیل روانگرایی از مدل تنش موثر فین [4] استفاده شده است. در این مدل با استفاده از رابطه تجربی مارتین و همکاران[€] ارتباط میان کاهش حجم توده خاك ج dض و میزان بزرگی کرنشهاي برشی تناوبی - υ - محاسبه می شود.
برن در سال [6] 1991 رابطه سادهتري نسبت به رابطه مارتین جهت محاسبه ج dض ارایه نمودند.
که در این رابطه مقدار ذط در رابطه 2 با تراکم نسبی خاك مرتبط شده و به صورت رابطه زیر ارایه شده است.و همچنین ثابت لط نیز از رابطه زیر محاسبه می شود.
به منظور اطمینان به نتایج مدلسازي عددي و دستیابی به پارامترهاي صحیح، مدل عددي یک بعدي پروفیل روانگراي حل شده توسط سونگ [2] 1997 مورد صحت سنجی قرار گرفته است. شرایط ژئوتکنیکی مساله مورد بررسی مطابق شکل 1 ارایه شده است.
پروفیل خاك مورد نظر شامل یک لایه ماسهاي با عدد 1بح بین 7تا20 می باشد که داراي پتانسیل روانگرایی است. این مساله در برنامه تفاضل محدود طهئً با استفاده از مدل فشار آب حفرهاي فین [4] مورد ارزیابی قرار گرفته است که نتایج آن در شکل 2 آورده شده است. همانطور که مشاهده میشود مقادیر نسبت اضافه فشار آب حفرهاي پیشبینی شده توسط برنامه با مطالعات پیشین سونگ همخوانی مناسبی دارد.
مدل کالیبره شده اضافه فشار آب حفره اي در این تحقیق به ترتیب برابر 0/76 و 0/56 حاصل شده است.
لازم به ذکر است که ابعاد مش بندي در مدل با استفاده تحلیلهاي حساسیت ابعاد و نیز با در نظر گرفتن تئوري انتشار امواج برشی در محیط و با توجه به فرکانس موج ورودي کنترل شده است که میتوان با استفاد ه از رابطه زیر اندازه المان ها - مشبندي - را بدست آورد:
در رابطه فوق، که سرعت موج برشی در محیط، س فرکانسی مورد نظر براي مش بندي و ع‚ ابعاد المان تفاضل محدود می باشد.
مدلهاي داراي المانهاي ریزتر هر چند قادر به مدل سازي دقیق محدودهي فرکانسی بزرگتري میباشند، ولی با توجه به تعداد بالاي تحلیلهاي صورت گرفته این ابعاد به مدت زمان زیادي جهت انجام تحلیل دینامیکی نیاز دارند؛ بنابراین، از میان این مدلها، مدلی انتخاب میگردد که ضمن حفظ دقت مساله نیاز به زمان کمتري براي انجام تحلیل داشته باشد. ابعاد المانها مدل عددي در این تحقیق، با توجه به تحلیل حساسیت و فرکانس موجهاي ورودي، برابر 1 در نقاط نزدیک دره و 2 متر نقاط دور انتخاب شده است. همچنین علاوه بر دور نمودن ابعاد مدل از طرفین مدل عددي، از مرزهاي میدان- آزاد 2 - ئکطسسککطً - در طرفین مدل به منظور جلوگیري از تاثیر انعکاس امواج استفاده شده است.
شکل :1 شرایط ژئوتکنیکی مساله بررسی شده توسط سونگ [1]
شکل:2 تاریخچه زمانی شتاب ورودي - زلزله کوبه - مدل سونگ [1]
شکل :3 مقایسه تاریخچه زمانی شتاب در سطح زمین مدل عددي تحقیق حاضر با مطالعات سونگ
